(57)【要約】ＤＮＡまたはゲノム配列決定構造が、開示される。本構造は、電極対であって、各電極は、先端形状端部を有し、電極は、対向する先端形状端部によって画定されるナノギャップによって分離される、電極対と、各先端形状端部またはその近傍に堆積される、少なくとも１つの導電島と、２つの端部を有する、生物分子であって、各端部は、１つの生物分子が電極対内のナノギャップに橋架するように、電極対内の導電島に付着される、生物分子とを含み、ヌクレオチドの生物分子との相互作用は、蛍光発光要素を使用することなく、ＤＮＡまたはゲノム配列決定の電子監視を提供する。
2019510207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＮＡまたはゲノム配列決定構造であって、
（ａ）電極対であって、各電極は、先端形状端部を有し、前記電極は、相互に対向する前記先端形状端部によって画定されるナノギャップによって分離される、電極対と、
（ｂ）各電極の各先端形状端部またはその近傍に堆積される、少なくとも１つの導電島と、
（ｃ）２つの端部を有する生物分子であって、各端部は、１つの生物分子が前記ナノギャップに橋架するように、各電極上の少なくとも１つの導電島に付着される、生物分子と、
を備え、ヌクレオチドの前記生物分子との相互作用は、蛍光発光要素を使用することなく、ＤＮＡまたはゲノム配列決定の電子監視を提供する、構造。
【請求項２】
前記電極対は、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）、またはチタン（Ｔｉ）を含む、請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記少なくとも１つの導電島は、金（Ａｕ）を含む、請求項１に記載の構造。
【請求項４】
前記少なくとも１つの導電島は、各電極の各先端形状端部またはその近傍での金（Ａｕ）の電着によって獲得される、金（Ａｕ）系ナノ先端を含む、請求項３に記載の構造。
【請求項５】
前記少なくとも１つの導電島は、各電極の各先端形状端部またはその近傍での金（Ａｕ）の電着と、その後の電着後焼鈍によって、獲得される、金（Ａｕ）系ナノ先端を含む、請求項４に記載の構造。
【請求項６】
前記少なくとも１つの導電島は、柱状物の形状にあり、前記柱状物は、電着プロセスを通して各電極上で成長される、請求項３に記載の構造。
【請求項７】
前記柱状物は、直径２０ｎｍ未満、高さ２５ｎｍ未満の寸法をとる、請求項６に記載の構造。
【請求項８】
前記柱状物は、直径７ｎｍ未満、高さ１０ｎｍ未満の寸法をとる、請求項６に記載の構造物。
【請求項９】
前記少なくとも１つの導電島は、電着された、または無電解堆積された金属を含み、２０ｎｍ未満の露出寸法を有する、ナノ先端形状またはナノ柱状形状の導電島を形成する、請求項１に記載の構造。
【請求項１０】
前記ナノ先端またはナノ柱状物は、分枝状または多孔性の表面を含み、各電極上での電着または無電解堆積後の前記ナノ先端またはナノ柱状構造と比較し、前記ナノ先端またはナノ柱状の露出面の表面積を少なくとも１０％増加するように、少なくとも３０％の多孔性を有する、請求項９に記載の構造。
【請求項１１】
本構造は、三次元アレイを形成するように、電極対の複数の層を含む、請求項１に記載の構造。
【請求項１２】
前記電極対は、各対の１つの電極が、共通のリード線によってともに一団化され、かつ各対内の他方の電極のそれぞれが、相互に未接続で置かれるように、相互に接続され、各電極対の独立的かつ連続的な照会を可能にする、請求項１１に記載の構造。
【請求項１３】
前記生物分子の各端部は、抗体−抗原結合またはストレプトアビジン−ビオチン結合を通して、少なくとも１つの導電島に付着される、請求項１に記載の構造。
【請求項１４】
前記生物分子の各端部は、チオール−金（Ａｕ）結合または金結合タンパク質を通して、少なくとも１つの導電島に付着される、請求項３に記載の構造。
【請求項１５】
ゲノムまたはＤＮＡ配列決定システムであって、
（ａ）請求項１に記載の前記ＤＮＡまたはゲノム配列決定構造と、
（ｂ）前記構造を封入し、かつ生物分子、ヌクレオチド、ＰＢＳ、または水溶液を電極対に供給するために使用可能なマイクロ流体サブシステムを画定する、チャンバと、
を含む、システム。
【請求項１６】
ゲノムまたはＤＮＡ配列決定デバイスを作成するための方法であって、前記方法は、
（ａ）基質上に電極対のアレイを配置するステップであって、所与の電極対内の各電極は、先端形状端部を有し、各対内の前記電極は、相互に対向する先端形状端部によって画定されるナノギャップによって分離される、ステップと、
（ｂ）前記電極対に電圧を印加することによって、金（Ａｕ）を各先端形状端部において電着させるステップであって、各電極の各先端形状端部の領域内の高電流密度は、各先端形状端部への金（Ａｕ）の優先電着を指向し、各電極上に金（Ａｕ）ナノ先端を形成する、ステップと、
（ｃ）１つの生物分子が、各電極対内の各ナノギャップに橋架するように、２つの端部を有する生物分子の各端部を、金（Ａｕ）ナノ先端に付着させるステップと、
を含む、方法。
【請求項１７】
前記電極対は、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、またはロジウム（Ｒｈ）を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記基質は、ＳｉＯ２絶縁物表面を伴うシリコン（Ｓｉ）を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
さらに、金（Ａｕ）と前記金属電極との付加的拡散接合を誘発するために、ステップ（ｂ）の後、約２００〜約８００°Ｃにおいて、電極対の前記アレイを熱処理するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
さらに、前記電極の前記先端形状端部以外の場所における、所望されない逸脱金（Ａｕ）堆積を被覆するために、ステップ（ｃ）に先立って、電極対の前記アレイにわたり、不動態化層をパターニングするステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
ゲノムまたはＤＮＡ配列決定デバイスを作成するための方法であって、前記方法は、
（ａ）基質上に電極対のアレイを配置するステップであって、所与の電極の対内の各電極は、端部を有し、各対内の電極は、相互に対向する前記電極の前記端部によって画定されるナノギャップによって分離される、ステップと、
（ｂ）前記電極にわたりマスクレジスト層を配置するステップと、
（ｃ）電極毎に１つの開口部である、開口部を形成するためにマスクレジスト層をナノパターンニングするステップであって、各開口部は、各ナノギャップまたはその近傍にある、ステップと、
（ｄ）金（ａｕ）ナノ柱状物を形成するための各開口部を通して、各電極上に金（Ａｕ）を電着させるステップと、
（ｅ）１つの生物分子が、各電極対内の各ナノギャップに橋架するように、２つの端部を有する生物分子の各端部を、金（Ａｕ）ナノ柱状物に付着させるステップと、
を含む、方法。
【請求項２２】
前記電極対は、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、または金（Ａｕ）を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記基質は、ＳｉＯ２絶縁物表面を伴うシリコン（Ｓｉ）を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記レジスト層は、ＰＭＭＡまたは水素シルセスキオキサン（ＨＳＱ）を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記金（Ａｕ）ナノ柱状物は、金（Ａｕ）の電着によって充填される各開口部を伴う各開口部内で成長する、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、“ＭＡＳＳＩＶＥＬＹ  ＰＡＲＡＬＬＥＬ  ＤＮＡ  ＳＥＱＵＥＮＣＩＮＧ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＣＯＭＰＲＩＳＩＮＧ  ＳＴＲＯＮＧＬＹ  ＡＤＨＥＲＥＤ  ＣＯＮＤＵＣＴＯＲ  ＮＡＮＯＴＩＰＳ  ＡＮＤ  ＮＡＮＯＰＩＬＬＡＲＳ，  ＭＥＴＨＯＤ  ＯＦ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ，  ＡＮＤ  ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ  ＴＨＥＲＥＯＦ”と題する２０１６年１月２８日に出願された米国仮特許出願番号第６２／２８８，３６４号に基づく優先権を主張しており、その開示は参考として本明細書中に援用される。
【０００２】
分野
本開示は、概して、ナノテクノロジー、ナノ製作、およびナノエレクトロニクスに関し、より具体的には、ＤＮＡとタンパク質とを含む、個々の生物分子の電子感知と分析とのためのシステム、デバイス、ならびにプロセスに関する。
【背景技術】
【０００３】
背景
ＤＮＡの発見以来、構造的な化学的塩基の配列を実際に実験的に測定する手段を開発するための一致団結した努力が存在してきた。ＤＮＡを体系的に配列決定する最初の方法は、１９７８年にＳａｎｇｅｒによって導入された。
【０００４】
この基本的方法は、１９８０年代後半に、商業的器具プラットフォームにおいて自動化され、最初のヒトゲノムの配列決定を可能にした。この努力の成功は、ヒトゲノムの配列決定に要されるコストと時間とを劇的に縮小させるという目標を伴い、多数の「超並列」配列決定プラットフォームの開発を動機付けた。それらは、概して、高度に小型化されるマイクロ流体方式において、何百万から何十億もの配列反応を同時に処理することに依拠する。
【０００５】
種々の他の関連技術および商業的プラットフォームが、これに続いてきた。現状では、配列決定の品質と精度におけるさらなる改善が、コストおよび時間の縮小と同様、依然高度に所望される。これは、精密医療での普及使用のためにゲノム配列決定を実践化することに特に当てはまり、臨床グレードの品質を伴って、何百万もの個人のゲノムを配列決定することが所望されている。
【０００６】
多数のＤＮＡ配列決定は、蛍光レポーターを用いる光学的手段を利用するが、そのような方法は、扱いにくく、検出速度が遅く、かつ大量生産やコスト縮小が困難な可能性がある。無標識ＤＮＡまたはゲノム配列決定アプローチは、特に、迅速にかつ安価な方法で達成されることができる電子信号検出と組み合わされるとき、蛍光型標識化プロセスおよび関連光学システムを必要としないという利点を有する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
要旨
本開示の側面は、ナノ電極システムのための組成物と製造手段とを提供し、電子的ＤＮＡ配列決定システムにおいて使用可能である。そのようなナノ電極システムはまた、ナノ電極が、生物分子感知標的と相互作用するために官能化される方法に応じて、タンパク質等、他のタイプの生物分子の分析において使用されてもよい。概して、本明細書に開示されるナノ電極システムは、そのような生物分子分析のためのシステムの一部であってもよく、ナノ電極システムは、生物分子に結合され、生物分子標的を感知および特性評価するための具体的な用途、特に、ゲノム全体を構成するＤＮＡ分子またはそのような分子の集合の配列決定の用途を有する、分子電子センサを構成する。
【０００８】
本開示の種々の実施形態では、ＤＮＡまたはゲノム配列決定のために使用可能であるような配列決定構造は、（ａ）電極対であって、各電極は、先端形状端部を有し、電極は、相互に対向する先端形状端部によって画定されるナノギャップによって分離される、電極対と、（ｂ）各電極の各先端形状端部またはその近傍に堆積される、少なくとも１つの導電島と、（ｃ）２つの端部を有する生物分子であって、各端部は、１つの生物分子がナノギャップに橋架するように、各電極上の少なくとも１つの導電島に付着される、生物分子とを備え、ヌクレオチドの生物分子との相互作用は、蛍光発光要素を使用することなく、ＤＮＡまたはゲノム配列決定の電子監視を提供する。種々の側面において、電極対は、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）、またはチタン（Ｔｉ）であってもよく、少なくとも１つの導電島は、金（Ａｕ）であってもよい。種々の実施例では、生物分子の各端部は、抗体−抗原結合またはストレプトアビジン−ビオチン結合を通して、少なくとも１つの導電島に付着される。他の実施例では、生物分子は、チオール−金（Ａｕ）結合または金結合タンパク質を通して、少なくとも１つの導電島に付着される。
【０００９】
種々の実施形態では、少なくとも１つの導電島は、各電極の各先端形状端部またはその近傍での金（Ａｕ）の電着によって獲得される、金（Ａｕ）系ナノ先端を含み、必要に応じて、電着後焼鈍がこれに続いてもよい。少なくとも１つの導電島は、電着プロセスを通して各電極上で成長される柱状物の形状であってもよく、これらの各柱状物は、直径２０ｎｍ未満、高さ２５ｎｍ未満の寸法をとってもよく、他の実施形態では、直径７ｎｍ未満、高さ１０ｎｍ未満の寸法をとってもよい。他の実施形態では、少なくとも１つの導電島は、電着または無電解堆積された、Ａｕ等の、金属を含み、生物分子結合等のため、２０ｎｍ未満の露出寸法を有する、ナノ先端形状またはナノ柱状形状の導電島を形成する。
【００１０】
本開示の種々の実施形態では、電着または無電解堆積されたＡｕのナノ先端またはナノ柱状物等の導電島は、先端または柱状物の表面積を増加させるように修正されてもよい。例えば、ナノ先端またはナノ柱状物は、電着または無電解堆積後のナノ先端またはナノ柱状構造と比較し、ナノ先端またはナノ柱状物の露出面の表面積を少なくとも１０％増加するように、少なくとも３０％の多孔性を有する、分枝状または多孔性の表面を含むよう修正されてもよい。
【００１１】
本開示の種々の実施形態では、電極対の複数の層は、三次元アレイ内に配列されてもよい。さらに、電極対は、各対の１つの電極が、共通のリード線によってともに一団化され、かつ各対内の他方の電極のそれぞれが、相互に未接続で置かれるように、相互に接続されてもよく、それにより、各電極対の独立的かつ連続的な照会を可能にする。
【００１２】
本開示の種々の実施形態では、ゲノムまたはＤＮＡ配列決定システムが開示される。本システムは、本明細書に述べられるようなＤＮＡまたはゲノム配列決定構造と、構造を封入し、かつ生物分子、ヌクレオチド、ＰＢＳ、または水溶液を電極対に供給するために使用可能なマイクロ流体サブシステムを画定する、チャンバとを含む。
【００１３】
本開示の種々の実施形態では、ゲノムまたはＤＮＡ配列決定デバイスを作成するための方法が開示される。本方法は、（ａ）基質上に電極対のアレイを配置するステップであって、所与の電極対内の各電極は、先端形状端部を有し、各対内の電極は、相互に対向する先端形状端部によって画定されるナノギャップによって分離される、ステップと、（ｂ）電極対に電圧を印加することによって、金（Ａｕ）を各先端形状端部に電着させるステップであって、各電極の各先端形状端部の領域内の高電流密度は、各先端形状端部への金（Ａｕ）の優先電着を指向し、各電極上に金（Ａｕ）ナノ先端を形成する、ステップと、（ｃ）１つの生物分子が、各電極対内の各ナノギャップに橋架するように、２つの端部を有する生物分子の各端部を、金（Ａｕ）ナノ先端に付着させるステップとを含む。電極対は、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、またはロジウム（Ｒｈ）を含んでもよく、基質は、ＳｉＯ２絶縁物表面を伴うシリコン（Ｓｉ）を含んでもよい。本方法は、さらに、金（Ａｕ）と金属電極との付加的拡散接合を誘発するために、ステップ（ｂ）の後、約２００〜約８００°Ｃにおいて、電極対のアレイを熱処理するステップを含んでもよい。他の例では、本方法はさらに、電極の先端形状端部またはその近傍以外の場所における、所望されない逸脱金（Ａｕ）堆積を被覆するために、ステップ（ｃ）に先立って、電極対のアレイにわたり、不動態化層をパターニングするステップを含んでもよい。
【００１４】
本開示の種々の側面において、ゲノムまたはＤＮＡ配列決定デバイスを作成するための方法が、開示される。本方法は、（ａ）基質上に電極対のアレイを配置するステップであって、所与の電極の対内の各電極は、端部を有し、各対内の電極は、相互に対向する電極の端部によって画定されるナノギャップによって分離される、ステップと、（ｂ）電極にわたりマスクレジスト層を配置するステップと、（ｃ）電極毎に１つの開口部である、開口部を形成するためにマスクレジスト層をナノパターンニングするステップであって、各開口部は、各ナノギャップまたはその近傍にある、ステップと、（ｄ）金（ａｕ）ナノ柱状物を形成するための各開口部を通して、金（Ａｕ）を各電極上に電着させるステップと、（ｅ）１つの生物分子が、各電極対内の各ナノギャップに橋架するように、２つの端部を有する生物分子の各端部を、金（Ａｕ）ナノ柱状物に付着させるステップとを含む。電極対は、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、またはロジウム（Ｒｈ）を含んでもよく、基質は、ＳｉＯ２絶縁物表面を伴うシリコン（Ｓｉ）を含んでもよい。本方法で使用されるレジスト層は、ＰＭＭＡまたは水素シルセスキオキサン（ＨＳＱ）を含んでもよい。この方法では、金（Ａｕ）ナノ柱状物は、各開口部が金（Ａｕ）の電着によって充填されるため、各開口部内で成長する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本開示の主題は、本明細書の結論部分で具体的に指摘および明白に特許請求の範囲に記載される。しかしながら、本開示のより完全な理解は、図面に関連して考慮されるとき、発明を実施するための形態および請求項を参照することによって最も深められ得る。
【００１６】
【図１】図１（ａ）−（ｄ）は、電子測定介したヌクレオチド付着の無蛍光（すなわち、無標識）検出の目的のために、タンパク質または断片化されたＤＮＡ等の生物分子をその上に付着または不動化させるためのＡｕ島の対を伴う、５〜２０ｎｍのナノギャップを含む構造を有する、ゲノム配列決定適合電極を図示する。
【図２】図２（ａ）−（ｃ）は、ナノ印写リソグラフィ、ｅ−ビームリソグラフィ、または他の方法によって産出されるような異なる形状を有する、ナノ電極の幾何学形状の平面図を図示する。ＳｉＯ２表面絶縁物を伴うＳｉ等、土台となる基質材料は、図示されない。図２（ｄ）−（ｆ）は、先端場所における優先堆積のためにより高い電流密度を伴う鋭点を利用することによる、超並列的な電着Ａｕ島または他の導電島を図示する。
【図３】図３（ａ）は、電極表面に意図しない金島を伴う、Ａｕ先端メッキ電極アレイ（例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、またはＲｈ）を図示する。ＳｉＯ２表面絶縁部を伴うＳｉ等の基質材料は、図示されない。図３（ｂ）は、電極表面上での不要な生物分子付着を排除するために、意図しないＡｕ島堆積をマスクする構造を図示する。
【図４】図４は、マスク電着を使用する、超並列的かつ突出するＡｕ電極アレイを図示する。
【図５】図５は、電子感知における誤差率の低減のために、より強力かつ増大される生物分子付着のための分枝状または多孔性のＡｕ先端を図示する。
【図６】図６は、ヌクレオチド付着または脱着事象の超並列的かつ無標識検出のためのＡｕナノ先端電極対アレイ（例えば１００×１００デバイスアレイまたは１，０００×１，０００アレイ）を図示する。
【図７】図７は、アレイの１つの側面上の共通リード線の使用による、電極の連続的照会を図示する。
【図８】図８は、分子電子ゲノム配列決定プラットフォームの３次元アレイを図示する。
【図９】図９は、ナノ電極システムと、具体的な接点と材料結合物性とを使用して該電極に適切に付着する生物分子成分とを含む、本発明によるゲノムまたはＤＮＡ配列決定システムを図示する。
【図１０】図１０は、橋およびプローブ分子を含む、ＤＮＡ配列分析の実験研究のために使用される、分子構造を図示する。
【図１１】図１１は、分子センサの電子測定のための例示的試験設定を図示する。上部の構造は、電極−基質構造の横断図であり、電圧を印加し、橋分子を通して電流を測定するための分析器への取付である。下部の構造は、回路に橋架するための電極アレイの斜視図である。
【図１２Ａ】図１２（ａ）は、橋結合のための金の金属ドット接点を伴う電極の電子顕微鏡画像を提供する。電極は、シリコン基質上に存在し、ｅ−ビームリソグラフィを介して産出される。本画像は、金のドット接点を伴うチタン電極のアレイのものである。
【図１２Ｂ】図１２（ｂ）は、橋結合のための金の金属ドット接点を伴う電極の電子顕微鏡画像を提供する。電極は、シリコン基質上に存在し、ｅ−ビームリソグラフィを介して産出される。本画像は、図１２（ａ）におけるアレイの拡大図であり、１５ｎｍの金と金との間隔を有する金のドット接点を伴う７ｎｍの電極間隙を図示する。
【図１２Ｃ】図１２（ｃ）は、橋結合のための金の金属ドット接点を伴う電極の電子顕微鏡画像を提供する。電極は、シリコン基質上に存在し、ｅ−ビームリソグラフィを介して産出される。本画像は、図１２（ｂ）におけるアレイの拡大図であり、電極の先端における約１０ｎｍの金のドットを図示する。
【図１３】図１３は、金のドット接点電極上への分子センサの自己集合の種々の段階の電子監視を示す。
【図１４】図１４は、図１３で描写および監視される段階の完了時の最終自己集合構造のＥＭ画像を提供する。
【図１５】図１５は、例示的センサを使用する取込信号の測定を図示する。
【図１６】図１６は、Ａｕドット島接点とともに製作された電極の画像を提供する。
【図１７】図１７は、Ａｕ電着からのＡｕ島とともに製作された鋭先端（ａ）と、テーパ状先端（ｂ）の電極の画像を提供する。
【図１８】図１８は、金への分子自己集合結合のために、電極の臨界領域のみ露出する電極表面の不動態化を図示する、電子顕微鏡写真を提供する。
【図１９】図１９は、製作された多重金ビード付き電極の実施形態を実証する、電子顕微鏡写真を提供する。
【図２０】図２０は、製作された多重金ビード付き電極の別の実施例を実証する、電子顕微鏡写真を提供する。
【図２１】図２１は、感知用途において使用するための不動態層の追加を描写する、電子顕微鏡写真を提供する。
【図２２】図２２は、Ａｕ島の堆積ステップ後等、Ａｕの新生表面を提供するための種々のアプローチを図示する流れ図を提供する。
【００１７】
図面は、本発明の概念を図示する目的のものであり、正確な縮尺率ではないことを理解されたい。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
詳細な説明
本明細書における例示的実施形態の詳細な説明は、添付図面を参照するが、これは、例証としての例示的実施形態とそれらのベストモードを図示するものである。これらの例示的実施形態は、当業者が本発明を実践することを可能にするために十分に詳細に説明されるが、他の実施形態も実現され得、かつ本発明の精神および範囲から逸脱することなく、論理的、化学的、機械的な変更が成され得ることを理解されたい。したがって、本明細書における詳細な説明は、例証の目的のためにのみ提示され、限定するためではない。例えば、他に注記されない限り、方法またはプロセス説明のいずれか内で列挙されるステップは、任意の順序で実行されてもよく、必ずしも提示される方法に限定されない。さらに、１つの実施形態の参照は、複数の実施形態を含み、１つを上回る成分またはステップの任意の参照は、１つの実施形態またはステップを含み得る。また、「付着される」、「固定される」、「接続される」、または同等物の言及は、恒久的、除去可能な、一時的、部分的、完全な、および／または他の任意の付属選択肢を含み得る。加えて、「接点のない（または類似語句）」という任意の言及はまた、低減された接点または最小限の接点も含み得る。
【００１９】
本開示は、概して、ＤＮＡまたはゲノム配列決定デバイス、そのようなデバイスの作製方法、および使用方法を説明する。本開示の種々の側面では、ＤＮＡまたはゲノム配列決定デバイスは、（ａ）電極対であって、対内の各電極は、先端形状端部を有するよう形作られ、対内の電極は、相互に対向する各電極の先端形状端部によって画定されるナノギャップによって分離される、電極対と、（ｂ）各電極の各先端形状端部またはその近傍に堆積される、少なくとも１つの導電島と、（ｃ）二重鎖ＤＮＡ分子のような、２つの端部を有する生物分子であって、各端部は、１つの生物分子がナノギャップに橋架するように、各電極上の導電島に付着される、生物分子とを含む。したがって、各デバイスは、１つの電極対と、１つの橋架生物分子とを含み、生物分子は、その各端部において各電極の導電島部分に結合される。種々の側面では、そのようなデバイスは、ヌクレオチドの生物分子との相互作用を電子的に監視することによって、ＤＮＡまたはゲノム配列決定において使用されてもよい。生物分子はさらに、ポリメラーゼ酵素のようなプローブ分子がヌクレオチドに結合し、感知される電子事象を作成する、生物分子に連結するプローブ分子を含んでもよい。このように、ＤＮＡまたはゲノム配列決定は、蛍光発光要素を使用することなく実施される。
【００２０】
種々の実施形態では、各電極は、例えば、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）、またはチタン（Ｔｉ）等の伝導性金属を含む。また、電極対は、シリコン（Ｓｉ）等の基質上に配置される。基質はさらに、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等の絶縁体層を含み得る。ゲート電極（すなわち、第３の電極）が、各ナノギャップの下またはそれに近接して配置されてもよく、各デバイスは、３つの電極構造を含み、３つの電極は、分子結合と、橋である生物分子が関わる相互作用との電子監視のために使用される回路を含む。複数のデバイスが、多数の（例えば、何百から何億）デバイスを含むアレイ内に配置されてもよい。種々の側面では、デバイスのアレイは、２次元または３次元であってもよく、後者の場合、アレイ構成を形成する複数の層を含む。
【００２１】
デバイスのアレイにおいて、電極対は、各対からの１つの電極が、共通のリード線によってともに電気的に互いに接続され（「一団化」され）、かつ各対からの他方の電極のそれぞれが、相互に未接続で置かれるように、相互に接続されても良く、各電極対の独立的かつ連続的な照会を可能にする。
【００２２】
本開示の種々の側面では、デバイスの各電極上に配置される導電島は、金（Ａｕ）を含んでもよい。本明細書において議論されるように、金（Ａｕ）は、電着および「無電解」堆積プロセスを施すことができ、強力な金（Ａｕ）−硫黄（Ｓ）結合を通して等、有機分子の結合において有用である。Ａｕ島に結合するための硫黄置換基は、生物分子の各端部またはその近傍にあるチオール（−ＳＨ）置換基、または結合のため２つの−ＳＨ基に還元される生物分子内のジスルフィド結合の一部であってもよい。種々の側面では、１つのＡｕ島は、電極毎に配置される。他の側面では、少なくとも１つのＡｕ島が、電極毎に配置される。
【００２３】
種々の実施形態では、生物分子の各端部は、抗体−抗原結合、ストレプトアビジン−ビオチン結合、チオール−Ａｕ結合、または金結合タンパク質を通して、少なくとも１つの導電島に付着されてもよい。
【００２４】
種々の実施形態では、少なくとも１つの導電島は、各電極の各先端形状端部またはその近傍での金（Ａｕ）の電着によって獲得されるＡｕ系ナノ先端を含んでもよい。さらに、少なくとも１つの導電島は、各電極の各先端形状端部またはその近傍での金（Ａｕ）の電着によって獲得されるＡｕ系ナノ先端を含んでもよく、電着後焼鈍がこれに続いてもよい。また、Ａｕ島は、無電解堆積されてもよく、結果として生じる島は無電解堆積後焼鈍されてもよい。本明細書で議論されるように、焼鈍は、電極上のＡｕ等の島の接触面積を増加でき、Ａｕ島と電極間の結合強度を増加することができる。
【００２５】
種々の実施例では、少なくとも１つの導電島は、柱状物の形状であってもよく、柱状物は、電着プロセスを通して各電極上で成長される。そのような柱状物は、それぞれ直径２０ｎｍ未満、高さ２５ｎｍ未満、それぞれ直径１５ｎｍ未満、高さ２０ｎｍ未満、それぞれ直径１０ｎｍ未満、高さ１５ｎｍ未満、それぞれ直径７ｎｍ未満、高さ１０ｎｍ未満、またはそれ未満の寸法をとってもよい。
【００２６】
本明細書における導電島の任意の形状に関して、導電島と電極表面との間の接触面積は、島直径（または島の断面寸法）の少なくとも約５０％、より望ましくは、最大１００％あってもよい。したがって、円筒形状の柱状形状導電島（すなわち、丸みを帯びた断面積を有する）は、柱状物の底部全体において、すなわち、断面全体にわたって電極と接触してもよい。ドット状または球状の導電島に関して、接触面積は、球状物の直径の最大１００％（その値を含む）の値をとってよく、すなわち、導電島は、半球形状を含んでもよい。いくつかの事例では、焼鈍は、尖頭電極の端部等の、先端形状電極の端部上にＡｕが金属溶射された先端のように見えるものを形成する。
【００２７】
本開示の種々の実施形態では、導電島の表面積は、表面を損傷させるか、表面の一部を除去するか、または別様に表面をより多孔性にすることのいずれかによって、増加されることができる。ある事例では、ナノ先端またはナノ柱状物は、各電極上の電着または無電解堆積後のナノ先端またはナノ柱状構造と比較して、ナノ先端またはナノ柱状物の露出面の表面積を少なくとも１０％増加するように、少なくとも３０％の多孔性を有する、分枝状または多孔性の表面を含んでもよい。金島は、金要素の上面の表面積を、まっすぐなＡｕナノ柱状構造と比較して、少なくとも１０％、より望ましくは少なくとも２０％、さらにより望ましくは、６０％増加させるように、少なくとも３０％、より望ましくは５０％の多孔性を生成するために、Ａｕと、含有されるＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｖ等の金属ナノ粒子、またはＣｏＯ、Ｃｏ２Ｏ３、ＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４、ＣｕＯ、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｏＯ２、Ｖ２Ｏ５、ＳｉＯ２等のセラミックナノ粒子とから成るナノ複合材料を調製し、これらの金属またセラミックもしくはポリマーのナノ粒子もしくはナノ繊維を優先的にエッチングし取り去ることによって等、表面積を増加するよう修飾されてもよい。他の実施例では、ナノ複合材料は、Ａｕと、カーボンナノチューブ、グラフェンナノフレーク、ポリマーナノ粒子、およびナノ繊維のうちの少なくとも１つとの混合物を含んでもよい。これらの非Ａｕ材料のいずれかは、その後、金島の上面の表面積を少なくとも３％、少なくとも５％、少なくとも１０％、少なくとも２０％、少なくとも３０％、少なくとも５０％、または少なくとも６０％増加させるように、Ａｕ電着から獲得される未修飾のＡｕのみを含むＡｕナノ柱状物の多孔率を少なくとも１０％、少なくとも２０％、少なくとも３０％、少なくとも４０％、より望ましくは５０％上回る多孔率をＡｕ内に生成するように焼成除去されてもよい。
【００２８】
種々の実施形態では、ＤＮＡまたはゲノム配列決定システムは、溶液が、生物分子、ヌクレオチド、ＰＢＳ、または水溶液を１つまたはそれを上回るデバイスに供給するために投与され得る、マイクロ流体サブシステムを提供するように、本明細書において説明されるような少なくとも１つのデバイス（デバイスアレイ等）と、デバイスを封入するチャンバとを含んでもよい。そのようなシステムは、電極対を種々の分子溶液に便宜的かつ制御された状態で露出することを可能にする。
【００２９】
本開示の種々の実施形態では、ゲノムまたはＤＮＡ配列決定デバイスを作製する方法が開示される。本方法は、基質上に電極対のアレイを配置するステップであって、所与の電極対内の各電極は、先端形状端部を有し、各対内の電極は、相互に対向する先端形状端部によって画定されるナノギャップによって分離される、ステップと、電極対に電圧を印加することによって、各先端形状端部において金（Ａｕ）を電着させるステップであって、各電極の各先端形状端部の領域内の高電流密度は、各先端形状端部への金（Ａｕ）の優先電着を指向し、各電極上に金（Ａｕ）ナノ先端を形成する、ステップと、１つの生物分子が、各電極対内の各ナノギャップに橋架するように、２つの端部を有する生物分子の各端部を、金（Ａｕ）ナノ先端に付着させるステップとを含む。各対内の電極は、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、またはロジウム（Ｒｈ）を含んでもよく、基質は、ＳｉＯ２絶縁物表面を伴うシリコン（Ｓｉ）を含んでもよい。これらの方法はさらに、金と金属電極との付加的拡散接合を誘発するために、約２００〜約８００°Ｃにおける金の堆積後、電極対のアレイを熱処理するステップを含んでもよい。さらに、本方法は、電極の先端形状端部上またはその近傍以外の場所に出現した所望されないＡｕ堆積を被覆するために、生物分子の各電極対への付着に先立って、電極対のアレイにわたり、不動態化層をパターニングするステップを含んでもよい。
【００３０】
本開示の他の実施形態では、ゲノムまたはＤＮＡ配列決定デバイスを作製するための方法が開示される。本方法は、基質上に電極対のアレイを配置するステップであって、所与の電極対内の各電極は、端部を有し、各対内の電極は、相互に対向する電極の端部によって画定されるナノギャップによって分離される、ステップと、マスクレジスト層を電極にわたって堆積させるステップと、マスクレジスト層をナノパターニングし、電極毎に１つの開口部である、開口部を形成するステップであって、各開口部は、各ナノギャップまたはその近傍に存在する、ステップと、金（Ａｕ）を各開口部を通して各電極上に電着させ、金（Ａｕ）ナノ柱状物を形成するステップと、１つの生物分子が、各電極対内の各ナノギャップに橋架するように、２つの端部を有する生物分子の各端部を、金（Ａｕ）ナノ柱状物に付着させるステップとを含む。各電極は、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、または金（Ａｕ）を含んでもよく、基質は、ＳｉＯ２絶縁物表面を伴うシリコン（Ｓｉ）を含んでもよい。これらの方法では、レジスト層は、ＰＭＭＡまたは水素シルセスキオキサン（ＨＳＱ）を含んでもよい。金（Ａｕ）ナノ柱状物は、各開口部内で成長し、各開口部は、電着によって限局される各空間内において層毎に充填される。
【００３１】
図面および種々の画像は、本明細書において開示されるナノセンサ概念の製作ならびにＤＮＡ配列分析においてそのようなタイプのナノ電極を使用する実施形態を図示する。本開示を支持する図および画像は、限定ではないが、ＤＮＡ配列分析のための分子センサ、ナノ電極分子センサのための試験測定設定、分子センサ作業において使用される金接触島を伴うナノ電極、ナノ電極上における自己集合の電子的監視、分子電子ナノ電極センサからのＤＮＡ配列決定信号、製作された金島ナノ電極、製作された金電気メッキナノ電極、製作されたナノ電極の不動態化、および製作された多重金ビード直線状ボールアップアレイ電極を含む。
【００３２】
ここで、図面を参照すると、図１（ａ）−（ｄ）は、その間に５〜２０ｎｍのナノギャップを伴う配列決定ゲノム適合電極を概略的に図示し、間隙のある電極の各対は、一対のＡｕ島を有し、これは、タンパク質または断片化されたＤＮＡ等の生物分子を、電極対にわたる橋として、付着または固定化するためのものである。そのような生物分子橋架電極構造は、ヌクレオチド付着または電子測定を介した他の分子相互作用の無蛍光（すなわち、無標識）検出において使用可能である。さらに詳細には、図１（ａ）は、約５〜約２０ｎｍのナノギャップによって分離される電極の１つの対の実施形態の平面図を図示する。図１（ｂ）は、絶縁物表面を伴う基質上における電極の例示的対の側面図を図示する。この実施例では、基質は、Ｓｉであって、絶縁層は、ＳｉＯ２である。そのような電極対は、電子コンダクタンス測定を通してゲノム／ＤＮＡ配列決定するためのデバイス内で使用可能であるものとして、本明細書において開示される。電極の各対は、望ましくは、安定的かつ不活性な特性を有する高導電性金属から作製される。例えば、金（Ａｕ）は、電極金属として最も広く使用されている。しかしながら、本発明の範囲内において、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の代替金属も、生物分子（例えば、タンパク質やＤＮＡ）の電極表面上での非特異的で無作為な付着を防止するように利用される。Ｐｔ系電極を使用することによって、生物分子は、著しくＰｔ表面上に直接付着しにくくなる。したがって、数ナノメータ規模サイズのＡｕ島の対の追加を伴い、生物分子、特に、電極毎に１つのみの生物分子の付着部位が、Ａｕを欠く電極表面の面積以外のＡｕ島に限局されることができる。
【００３３】
残念ながら、直径約５ｎｍの規模の金ナノ粒子等の小型ナノ粒子は、電極表面上に配置および設置することが困難である。原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、個々のＡｕナノ粒子を捕捉し、電極表面に移動させ、それをその上に堆積させるために使用されてもよく、それによって、ファンデルワールス力が、ナノ粒子をその意図される場所に保つ（例えば、２０１４年２月２０日に公開されたＨｕａｎｇ，  ｅｔ  ａｌ．の米国特許出願第２０１４／００４８７７６号参照）。しかしながら、ナノ粒子のそのような繊細な移動および設置は、結果として、例えば、図１（ｃ）に図示される構造において、電極表面上にそれほど良好に接着されないＡｕナノ粒子につながり得る。
【００３４】
ナノ粒子が電極表面に強力には接着されないこれらの構造（図１（ｃ））は、高い接触抵抗および低減された電気導電性を示し得る。さらに、不十分に付着されるそのようなＡｕナノ粒子は、異なる場所に容易に側方移動されるか、または洗浄、生物分子のマイクロ流体処理、もしくは他の取扱いの間に恒久的に脱着され得る。一つ一つの、ナノ粒子のそのようなＡＦＭ誘導設置は、労力を要し、時間がかかり、低コスト製造を施すことができない。したがって、本発明によると、Ａｕナノ粒子は、従来技術の場合に当てはまるように（図１（ｃ））、電極表面上に物理的に配置されるだけではなく、むしろ、電極表面との結合において使用されるＡｕ粒子の接触面積が、Ａｕ粒子直径の少なくとも２０％、少なくとも３０％、少なくとも４０％、少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７０％、望ましくは少なくとも８０％、さらにより望ましくは最大１００％を含むように、電極表面により強力に結合される。図式的に、Ａｕ粒子と電極表面との間のこの強力な結合は、図１（ｄ）の２つの実施例に図示される。
【００３５】
タンパク質分析またはＤＮＡ／ゲノム配列決定のために使用可能なものを含む、分子電子デバイスに関して、複数の電極対デバイスを含むアレイを使用する並列電子感知が非常に所望される。所与の空間内により多くの電子測定デバイスおよび回路をパッケージ化するために、電極寸法は、マイクロまたはナノスケールに縮小されなければならない。例えば、並列配列における電極対を含むナノ電極幾何学形状のアレイが、利用されることができる。そのようなアレイは、ナノ印写リソグラフィ等の便宜的かつスケーラブルな処理方法を使用することによって作製されることができる。ｅ−ビームリソグラフィ、自己集合、または他の手段等の代替方法も、利用されてもよい。
【００３６】
再度図面を参照すると、図２は、電極アレイが、カソードおよびアノードに電気的に接続される間、電着を用いることによって、電極上に信頼性のあるＡｕ島を、安価かつ超並列的な方法で作成するための実施形態の１つを説明する。電着は、１つの電極上で発生するが、他では発生しないため、左側のＰｔ（またはＰｄもしくはＲｈ）電極先端が、最初にＡｕで電着され、電着の間、カソード対アノードの役割が逆転されるため、次いで、右側先端が、メッキされる。図２（ａ）−（ｃ）におけるＰｔ電極先端等の、導電性物体の鋭縁、角、先端、または突出部分は、電着の間、非常に集中される電流を有する傾向にある。よって、電極先端は、鋭化、先端化、または突出していないＰｔ電極の他の部分よりもむしろ、優先的にＡｕとメッキされる。成形された電極上の電着に関して、例示的電気メッキ溶液は、限定ではないが、カリウム金シアン化物（ＫＡｕ（ＣＮ）２）系溶液である。例示的浴組成は、１２〜１５ｇ／リットルのＫＡｕ（ＣＮ）２と、９０〜１１５ｇ／リットルのクエン酸と、０．０７〜０．１ｇ／リットルのコバルト（酢酸塩または硫酸塩として添加される）とを含み、ｐＨは、３．６〜４．７に調整され（例えば、ＫＯＨを用いて）、かつ４０〜６５°Ｃの浴温度である（例えば、Ｙ．  Ｏｋｉｎａｋａ，  Ｆ．  Ｂ．  Ｋｏｃｈ，  Ｃ．  Ｗｏｌｏｗｏｄｉｕｋ，  ａｎｄ  Ｄ．  Ｒ．  Ｂｌｅｓｓｉｎｇｔｏｎ，  Ｊ．  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．  Ｓｏｃ．，  １２５，  １７４５  （１９７８）参照）。非シアン化物電気メッキ浴もまた、本明細書において使用可能である（例えば、Ｍｏｄｅｒｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ，  ５ｔｈ  Ｅｄ，  ｅｄｉｔｅｄ  ｂｙ  Ｍｏｒｄｅｃｈａｙ  Ｓｃｈｌｅｓｉｎｇｅｒ  ａｎｄ  Ｍｉｌａｎ  Ｐａｕｎｏｖｉｃ，  Ｃｈａｐｔｅｒ  ４，  ”Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｇｏｌｄ”  ｂｙ  Ｐａｕｌ  Ａ．  Ｋｏｈｌ，  ＩＳＢＮ：  ９７８−０−４７０−１６７７８−６  Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  ２０１４，  Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ，  Ｉｎｃ．参照）。直流（ＤＣ）電着またはパルス堆積が、使用されてもよく、後者は、電着される金のサイズの正確な制御においてより簡便である。
【００３７】
本開示によると、電極先端に堆積されるＡｕ領域は、ナノ粒子ではないが、それに代わって電極構造の統合部分であり、電着によって強力に電極に接着される。Ａｕの電着に適した電極幾何学形状の実施例は、図２（ａ）−（ｃ）に提示されている。図２（ａ）−（ｃ）は、異なる形状を伴うナノ電極対の幾何学形状の平面図を図示する。これらの形状は、例えば、スケールアップ製造のためのナノ印写リソグラフィ、ｅ−ビームリソグラフィ、または他の公知の方法によって作製される。各電極対の下に存在し、ＳｉＯ２表面絶縁物を伴うＳｉ等の基質材料は、明確化のために図示されない。図２（ｄ）−（ｆ）は、それらの場所においてより高い電流密度が優先的堆積を指向する、電極の鋭点、先端、または他の突出を利用することによって、導電島として、Ａｕまたは他の金属で電着される、種々に成形された電極先端を図示する。より良好な結果のため、ベース電極上の任意の所望されない鋭縁または凹凸は、好ましくは、除去され、所望される場所に加え、これらの凹凸において、意図しないＡｕ電着を回避する。図２（ｅ）の電極対のテーパ状かつより平滑な側面の幾何学形状は、電極先端以外の場所における所望されないＡｕ堆積を最小限にするための１つの設計である。図２（ｆ）では、僅かに丸みを帯びた先端設計が、開示され、これはまた、僅かに大きいサイズのＡｕ先端堆積が所望されるときに有用である。
【００３８】
特に、電極対が、超並列的な方法で反応されるとき、Ａｕまたは他の導電性先端の電着は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）先端による個々のＡｕナノ粒子の移動および設置等の従来技術方法と比較して、簡便かつ非常に実践的である。多数のデバイス（例えば、１千〜１千万のゲノム配列決定電極デバイス）が、同時に処理されることができる。Ａｕ接着を増大するための電着後焼鈍は、随意のプロセスである。電極デバイスアレイ全体の熱処理は、空中で温度約２００〜約８００°Ｃにて、減圧または不活性雰囲気において約１０分〜１２時間で達成されることができ、これは、Ａｕの基質金属電極への付加的拡散接合を誘発する。本発明に従って電着によって処理されるＡｕ先端は、ベース電極金属に強力に接着し、電極表面に結合されるＡｕの接触面積は、Ａｕ粒子直径の、少なくとも２０％、少なくとも３０％、少なくとも４０％、少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７０％、望ましくは少なくとも８０％、さらにより望ましくは最大１００％を含む。
【００３９】
尖頭電極の鋭先端領域は、電着の間、優先的にＡｕで被膜され、よって、電極上の他の場所でのＡｕ堆積は、相応して希少であるが、いくつかの事例では、所望されない場所にＡｕ堆積が存在し得る。所望される先端場所（例えば、図２（ｄ）−（ｆ）にて説明されているような場所）以外の電極表面の他の部分上の任意の形状におけるいくつかの意図しないＡｕ堆積が存在する場合、図３（ａ）および３（ｂ）で図示されるように、先端領域を除く領域において電極をパターン被膜する付加的ステップが、実施されてもよい。
【００４０】
図３（ａ）は、図式的に、電極表面上の種々の所望されない場所において、意図しないＡｕ島が電着される、Ａｕが先端にある電極アレイを図示する。述べられるように、パターン被膜が、その後、これらの所望されない島を被覆するために、電極上に堆積されてもよい。図３（ｂ）は、電極が生物分子に露出されるとき、これらの逸脱場所における、生物分子の電極表面上への付着を排除するために、意図しないＡｕ島堆積をマスクする、例示的パターン被膜を図示する。
【００４１】
本発明の種々の実施形態では、Ａｕ電極上の突出Ａｕナノ柱状物等、ナノサイズの金は、電極上で選択される個々の場所においてマスクされる電着を使用して、他の構成において電着されることができる。このプロセスにおいて、Ａｕナノ柱状物は、選択される非マスク場所において成長される。プロセスの最初のステップは、例えば、Ａｕ電極上のＰＭＭＡまたは水素シルセスキオキサン（ＨＳＱ）等のマスク層の堆積であり、次いで、露出される開口部または「穴」を形成するためのマスクレジスト層のナノパターニングである。次のステップにおいて、突出柱状物の形状にあるＡｕの超並列的電着は、マスクされるパターンによって補助される位置選択電着によって成長されることができる。マスクレジスト内でパターニングされる穴は、典型的には、直径４〜２０ｎｍ、好ましくは６〜１０ｎｍであり、図４（ａ）−（ｅ）の１段階ずつのプロセスによって図示されるように、金の電着は、これらのパターニングされる各穴を通して行われる。
【００４２】
図４（ａ）内の例示的Ａｕ電極アレイの断面図に図示されるように、大面積のＡｕ電極は、大きな露出Ａｕ表面に起因して、無作為かつ所望されない複数の生物分子が各電極上に付着する可能性があるため、単一の生物分子、ＤＮＡ断片、または電気的照会のためのヌクレオチドを誘引するためのデバイスの部分として、確実には用をなさない。したがって、各電極上に、単一ナノ画定柱状物のみを有することが不可欠である。用語「柱状物」は、丸みを帯びた形、正方形、長方形、または任意の他の断面形状を伴う３次元構造を指すために、本明細において広義に使用される。そのような柱状物は、図４（ｂ）および４（ｃ）のステップに図示されるように、全てマスクされる囲繞面積を伴う穴内で形成される。ｅ−ビームまたはナノ印写リソグラフィによって被覆される、ポジティブレジスト（例えば、ＰＭＭＡ）またはネガティブレジスト（例えば、ＨＳＱ、ＳＵ−８）が、穴アレイを作成するためのナノパターニングのために利用されてもよい。ナノ印写は、例えば、１０，０００デバイス以上等の多数のデバイスの同時製作を促進する。
【００４３】
莫大な数のＡｕナノ柱状物をＡｕまたは他の導電性電極上に効率的かつ同時に作成するために、左側の電極上の全リード線用の電気端子と、図４（ｃ）に図示されるもののような反復される電極パターンデバイスを伴うデバイスアレイの右側上の全リード線は、電着が全電極上で同時に実施されるように、それぞれ、２つの別個の共通電気パスに一時的に電気的に接続される。これは、より容易で、低コスト大量製造プロセスのためのＡｕ柱状物の超並列的電着を可能にする。上記のように説明されるプロセスによると、同時に作成されることができるＡｕ柱状物の数（電極対デバイス数の２倍に等しい）は、少なくとも１００デバイス、望ましくは少なくとも１０，０００デバイス、さらにより望ましくは、少なくとも１００万デバイスである。
【００４４】
図４（ｄ）の突出金柱状物は、柱状物直径（または円柱状でない場合、他の断面幅）に匹敵する、良好な接触面積を有するため、電気的接触抵抗は、望ましくは、非常に小さい。これは、従来技術のナノ粒子付着（例えば、ＡＦＭプローブ先端によって移動され堆積されるＡｕナノ粒子）の高い接触抵抗状況とは異なる。また、そのように成長されるＡｕ柱状物は、ここでは、金−金接触を伴うＡｕ電極ベースの一部であり、そのため、単一の金属のみが存在するため、非常に強力な接着が確保される。本明細書に説明されるＡｕナノ柱状物構造のこれらの望ましい特性は、例えば、ゲノム配列決定の間、電気信号内のノイズの最小限化において有利である。図４（ａ）−（ｄ）に図示される方法によって調製されるＡｕナノ柱状物の断面寸法（例えば、直径）は、２０ｎｍ未満、１５ｎｍ未満、１０ｎｍ未満、または７ｎｍ未満である。Ａｕ柱状物の高さは、２５ｎｍ未満、２０ｎｍ未満、１５ｎｍ未満、または１０ｎｍ未満である。
【００４５】
図４（ｅ）は、本発明のさらなる側面による、分子電子デバイスのためのＡｕ柱状物構造の例示的使用を図示する。そのようなＡｕ柱状物構造は、ＤＮＡおよびゲノム配列決定ならびにタンパク質分析のために有用である。図４（ｅ）は、例えば、生物分子へのヌクレオチド付着等の分子相互作用の間の電気的照会のためのＡｕ柱状物表面上に付着される、単一の生物分子（例えば、タンパク質、ＤＮＡセグメント等）を図示する。Ａｕ柱状物表面への生物分子付着は、種々の官能化および標的化付着によって可能にされる。これらは、限定ではないが、抗体−抗原誘引、またはビオチン−ストレプトアビジン結合、チオール−Ａｕ結合、Ａｕ結合ペプチド、もしくは同等物を含む。
【００４６】
無標識電子検出を使用するＤＮＡ配列決定およびゲノム配列決定ならびに一般の分子電子デバイスにおいて、再現可能かつノイズが低減された方法で強力な信号を獲得するように、生物分子を強力かつ確実に付着することが不可欠である。センサデバイス内の生物電子の付着は、生物分子がその上に結合されるべき基質表面が、著しくより大きな表面積を表すように修飾される場合、増大されることができる。すでにナノ寸法（例えば、５〜１０ｎｍ面積）の構造であるものの上に、さらなる分枝状または多孔性の構造を作製することは困難である。しかしながら、本開示によると、そのような困難は、克服された。図５（ｂ）および５（ｃ）の２つの実施例に図示されるように、生物分子の増大された接着のためにさらに細分されたナノ構造が、Ａｕ柱状物上（例えば、図５（ａ）で例示されるように）、またはいくつかの他のナノ寸法の表面上で可能である。
【００４７】
図５（ｂ）に図示されるように、分枝状先端Ａｕ柱状物は、Ａｕ複合材料内の犠牲材料を使用し、かつ非Ａｕ材料体積の約１％、３％、５％、８％、１０％、１２％、１４％、１６％、１８％、または２０％を選択的にエッチングまたは焼成して取り去られることによって、獲得されることができる。他の側面では、Ａｕ複合材料から非Ａｕ材料体積の約５％〜約２０％が選択的にエッチングまたは焼成して取り去られる。犠牲材料は、限定ではないが、カーボンナノチューブ、グラフェン、ポリマー、または電着の間に添加される金属もしくはセラミック相ナノ粒子を含む。代替として、分枝状先端Ａｕ柱状物は、Ａｕの標準的堆積（電流を用いない）と、次いで、そこに捕捉され、複合材料を形成するナノ粒子の分散によって形成されてもよい。Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｖ等の金属ナノ粒子、またはＣｏＯもしくはＣｏ２Ｏ３、ＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３もしくはＦｅ３Ｏ４、ＣｕＯ、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｏＯ２、Ｖ２Ｏ５、ＳｉＯ２等のセラミックナノ粒子が、次いで、強酸（但し、１：３の比率で硝酸と塩酸とを有する王水溶液のような金エッチング液ほど強くない）を使用することでエッチングし取り去られることができる。エッチング液は、希酸またはアルカリ（例えば、エッチングして取り去られるアルミ粒子の場合）であり得、王水溶液で使用される酸成分の１／２未満の濃度、かつ好ましくは王水溶液で使用される酸成分の１／４未満であり得る。これらの金属およびセラミックがエッチングし取り去られるとき、残存するＡｕは、分枝状または多孔性のナノ構造表面を含む、さらに広い表面を示し、これは、タンパク質またはＤＮＡ等の生物分子を含む生物分子をその上にさらに強力に結合させるために望ましい。金属、セラミック、またはポリマー犠牲ナノ粒子の望ましい寸法は、平均直径において、１０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ未満、さらにより好ましくは２ｎｍ未満である。Ａｕ複合材料に取り込まれる犠牲カーボンナノチューブまたはグラフェンナノフレークの望ましい寸法は、厚みにおいて、８ｎｍ未満、好ましくは３ｎｍ未満、さらにより好ましくは１ｎｍ未満である。Ａｕ複合材料マトリックス内のカーボンナノチューブ、グラフェンナノフレーク、またはポリマーナノ粒子は、約２００〜約５００°Ｃの温度に加熱して焼成除去するか、またはポリマーナノ粒子の場合等、溶液内で分解しなくすことができる。
【００４８】
多孔性のＡｕ柱状物を提供する代替方法は、図５（ｃ）に開示される。Ａｕ柱状物またはＡｕナノ島は、この場合、最初に、Ａｕ柱状物または、例えば、電気メッキまたは無電解メッキされることができる、Ａｕ−Ａｇ、Ａｕ−Ｃｕまたは他のＡｕ系合金等の合金成分を含む島を、堆積させるステップを含む、脱合金方法を使用することで、多孔性にされることができる。合金を含むナノ柱状物は、合金から非Ａｕ金属を選択的に除去し、かつＡｕを残すために、次いで、強酸（または、ＡｌもしくはＭｇタイプ合金法ではアルカリ）において化学的または電気化学的にエッチングされる。Ａｇで、Ｃｕ、および／または他の金属元素でＡｕを合金する望ましいＡｕ量は、約１０〜約７０％の体積の範囲内、好ましくは約３０％〜約６０％の体積の範囲内である。合金可能な元素、または合金を形成し得ない非混合性元素のいずれかが、Ａｕに添加されることができ、次いで、脱成合金または優先的エッチングのステップは、ナノ構造化されたＡｕをもたらし得る。このように形成されたＡｕ先端、Ａｕ柱状物、またはＡｕ島内の望ましい多孔度の体積率は、少なくとも１０％、少なくとも２０％、少なくとも３０％、少なくとも４０％、または好ましくは少なくとも５０％である。ナノ複合材料経路によって達成される、図５（ｂ）および５（ｃ）に図示される構造における表面積の増加は、Ａｕ電着または無修飾から獲得されるＡｕ先端、Ａｕ柱状物、またはＡｕ島の多孔率を、少なくとも３％、少なくとも５％、少なくとも１０％、少なくとも２０％、少なくとも３０％、少なくとも４０％、少なくとも５０％、または少なくとも６０％上回る値である。
【００４９】
Ａｕ柱状物修飾の別の実施形態は、ナノスケールサンドブラスティング、マスク化学エッチング、イオン移植、または表面を粗くおよび／または多孔にするためＡｕ柱状物の表面を意図的に損傷するための他の適切な方法の適用である。表面損傷および／または多孔性のＡｕへの結合のこれらの事例では、生物分子の接着強度は、未修飾のＡｕ柱状物構造への生物分子の接着率を、少なくとも１０％、少なくとも２０％、少なくとも２５％、少なくとも３５％、少なくとも４０％、少なくとも５０％、少なくとも６０％、または少なくとも７０％上回る倍率で改善される。
【００５０】
他の実施形態では、Ａｕ柱状物は、焼鈍によって寸法が変更されてもよい。例えば、Ａｕ柱状物は、Ａｕの融解温度より高いがデバイスの他の構成要素（例えば、電極）が融解または別様に損傷し得る温度より低い温度等の高温状態における焼鈍によって、相対的円筒柱状形状から球状ボール形状に転換されることができる。
【００５１】
図５（ｄ）は、生物分子（例えば、タンパク質、ＤＮＡ、または他の生物分子）が、ナノ構造に起因して増大される接着／結合と、図５（ｂ）および５（ｃ）のＡｕ柱状物に存在するさらに大きな表面積とを有する電極のＡｕ部分に付着する、例示的デバイスを図示する。したがって、電極対を含むデバイスの製造では、生物分子は、ナノギャップを対内の２つの電極に橋架させるため、電極対内の電極の１つ毎上の接点に付着する。上記で議論されるように、これらの接点は、Ａｕナノ柱状物を含み、随意に、合金法／脱合金または各ナノ柱状物の表面積および結合能力を増加させるための他の方法によって修飾されてもよい。
【００５２】
表面積を増加および生物分子結合を増大するためのこれらの新しい方法はまた、図２および３に例示され上記で議論されるもの等の他の実施形態のために適用可能であることに留意されたい。
【００５３】
本開示の種々の側面では、デバイスアレイ内に、少なくとも１，０００、好ましくは少なくとも１０，０００、さらにより好ましくは少なくとも１００万の電極対デバイスを有するアレイを伴う、超並列的電極アレイが、生成されることができる。図６は、超並列的でかつヌクレオチドまたは他の分子の付着もしくは脱着事象の無標識検出のために使用可能である、Ａｕナノ先端構造電極対の例示的アレイを図示する。そのようなアレイは、１００×１００デバイスまたは１，０００×１，０００デバイス、もしくは同等物を含み、各デバイスは、鋭先端化電極（例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、またはＲｈを含む）と、電極先端面積またはその近傍において電着もしくは無電解堆積されるＡｕナノ先端とを備える電極対と、Ａｕまたは他の導電リード線（例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ）とを含んでもよい。Ａｕリード線が使用される場合、Ａｕリード線の表面は、リード線への所望されない生物分子接着を防止するために、ＰＭＭＡ等のマスクで被覆されることができる。
【００５４】
図６で図示される実施形態等のアレイを用いて、ヌクレオチド付着照会が、リアルタイムで実施されることができる。電子信号照会の代替実施形態は、図７に図示される構成にあるように、全リード線の一方の側を短絡させ、左側の電気リード線を、一度に１つずつ、例えば、毎ミリ秒等に交代させることで、連続的に積分することである。図７において、７１は、ヌクレオチド付着または脱着の無標識検出のための例示的電極対であって、（電極対はさらに、ギャップおよびプローブ分子に橋架する生物分子を含み得る）、７２は、Ａｕリード線等のリード線の実施形態であり、タンパク質または他の生物分子のその上への付着を防止するために、表面隔離または被膜されることができる。継続して図７を参照すると、要素７３は、全ての右側の電極に接続している共通のリード線であり、要素７４は、アレイの右側面上で必要とされる１本のみの共通リード線ある。左側電極である、Ｙ１、Ｙ２、…Ｙ１０は、一度に１つずつ、連続的に照会される。本配線構成および連続的照会方法は、数千もの並列信号を全て一度に取り扱うことと比較して、電気的測定においてより少ない複雑さをもたらす。
【００５５】
さらにより大きなデータ取得は、図６または７のタイプのナノ先端もしくはナノ柱状構造が、図８で図示されるように、スタック毎の付随するマイクロ流体チャンバ（図内の左上）、または１つまたはそれを上回る共通マイクロ流体チャンバ（図内の右上）を伴い、３次元に積み重ねられる場合、獲得されることができる。そのような３Ｄ構成では、少なくとも約百万〜約１０億のデバイスが、きわめて迅速なＤＮＡまたはゲノム配列決定のために同時に操作されることができる。他の実施形態では、より高性能で、突出Ａｕ柱状物アレイを伴う、マイクロワイヤまたはマイクロリボンアレイが、さらにより高密度の生物分子感知のために使用される。
【００５６】
本発明によるゲノムまたはＤＮＡ配列決定の構造、システム、および方法の側面は、図９で要約される。適切なソフトウエアおよびコンピュータシステムが、組み込まれ、マイクロ流体システムは、超並列電子検出システムに接続される。生物分子および結合剤は、配列されるべきヌクレオチドとともに、マイクロ流体チャンバ内に送達される。
【００５７】
図１０は、橋およびプローブ分子構造を含む、ＤＮＡ配列分析のために使用される分子構造の実施形態を図示する。本図示実施例では、橋である生物分子は、金属電極上に提供されるＡｕ接点に結合するための分子の両５’端にチオール基を伴う、長さ２０ｎｍ（６０個の塩基）の合成二重鎖ＤＮＡオリゴ分子を含む。このように、１つの橋である生物分子が、各電極対内の電極間の約１０ｎｍのナノギャップを橋架する。各電極対のＡｕ接点は、例えば、電極の鋭端部上に電着されるＡｕドット、または電極先端近傍の被マスク面積へのＡｕ電着によって成長されるＡｕ柱状物等、本明細書上記で議論されるＡｕ構造のいずれかを含んでもよい。金属電極は、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、または金（Ａｕ）を含んでもよい。Ａｕの後者の場合、接点および電極は、同一の金属、すなわち、Ａｕの統合を含む。継続して図１０を参照すると、プローブ分子は、ポリメラーゼ、例えば、Ｅ．ｃｏｌｉ  Ｐｏｌ１を含み、ストレプトアビジンタンパク質と化学的に架橋され、ひいては、合成ＤＮＡオリゴ配列内で提供されるビオチン化ヌクレオチドで橋分子に結合される。図は、分子および原子のサイズに関してスケール通りで図示される。
【００５８】
図１１は、分子センサ上の電気測定のために使用可能な例示的試験設定を図示する。上方に図示されているのは、電極−基質構造の断面描写および橋分子を通して電圧を印加し電流を測定するための分析器への取り付けである。下方の構造は、橋架回路のための電極アレイの斜視図である。各電極対は、金属−１電極上の金属−２接点を含むものとして図示される。上記で議論されるように、金属−１電極は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、またはＡｕを含み、金属−２接点は、Ａｕを含んでもよい。種々の実施形態では、金属−１および金属−２は、Ａｕ柱状物が、Ａｕ電極の非マスク面積上で成長されるとき等は、両方ともＡｕである。本実施例では、Ａｕ先端または柱状物支持体は、強力なチオール−Ａｕ結合の活用によって、定位置でのチオール化分子の自己集合を補助する。
【００５９】
図１２（ａ）−（ｃ）は、Ａｕ接点を含み、首尾よく構成された電極対の電子顕微鏡写真を提示する。図１２（ａ）は、橋分子結合のためのＡｕドット接触を含む、Ｔｉ電極の電子顕微鏡画像である。本実施例では、Ａｕドットは、Ｔｉ電極またはその近傍において電着される。電極は、ｅ−ビームリソグラフィを介して生成されるシリコン基質上に堆積される。図１２（ｂ）は、より高解像度における電子顕微鏡写真である。画像は、図１２（ａ）内のアレイの拡大図であり、１５ｎｍのＡｕ−Ａｕ間隔を有するＡｕドット接触を伴う７ｎｍの電極ギャップを図示する。図１２（ｃ）は、さらにより高解像度における電子顕微鏡写真である。画像は、図１２（ｂ）内のアレイの拡大図であり、電極先端に堆積される約１０ｎｍのＡｕドットを図示する。
【００６０】
ここで図１３を参照すると、金ドット接触電極上への分子センサ自己集合のプロセスが、電子的に監視されているものとして図示される。電流対時間の測定は、橋の自己集合および分子センサ複合体を監視するために使用される。左上方のプロットは、自己集合の段階１を図示し、電流の急上昇によって実証されるように、５’端部上のチオール基を伴う二重鎖ＤＮＡ橋は、電極金接点上に集合する。右上方のプロットは、自己集合プロセスの段階２を図示し、電流の別の急上昇によって実証されるように、ポリメラーゼ−ストレプトアビジン複合体は、ｄｓＤＮＡ橋上のビオチン化部位に結合する。左下方のプロットは、自己集合プロセスの段階３を図示し、電流対時間内の別のスパイクによって実証されるように、プライムされた一重鎖ＤＮＡテンプレートは、ポリメラーゼに結合し複合体を完成する。
【００６１】
図１４は、図１３で描写および監視され、かつ本明細書において議論される、自己集合段階完成の際の最終自己集合構造の電子顕微鏡画像を提供する。本電子顕微鏡写真では、橋複合体は、標識化することなく直接視認可能であり、電極対を接合する、僅かに不鮮明なより高コントラスト領域として観察され得る（そして右側のより高倍率の拡大画像内の白矢印によって示される）。左下方の拡大画像では、対内の２つの電極のより狭い部分は、約２０ｎｍの幅および約７ｎｍの電極間ナノギャップを有する。左側の画像は、電極対のアレイのうちの１対の電極に焦点を当てている。左側のより低倍率の拡大画像および右側のより高倍率の拡大画像の両方において見られる各電極の先端における白っぽい部分は、金（Ａｕ）島であり、その上に生物分子が結合される。右側のより高倍率の拡大顕微鏡写真において明白であるように、生物分子（電極先端間の白っぽい高いコントラストの不鮮明部分）は、ナノギャップにわたって先端が相互に連続するように見える。したがって、これらの顕微鏡写真から、生物分子は、対内の各電極上に自己集合し、生物分子の各端部は、各電極に付着し、ナノギャップを横切って橋を形成したことが明白である。
【００６２】
ここで図１５を参照すると、センサを使用する取込み信号の測定が、実証されている。図１５のプロットは、種々のプライムされた一重鎖ＤＮＡ配列決定テンプレートと、取込みおよび重合のためのｄＮＴＰとを供給されているセンサから結果として生じる電流信号を図示する。各場合において、信号の大きなスパイクは、離散取込事象から結果として生じる信号を表し、そこではポリメラーゼ酵素は、伸長する鎖に別の塩基を添加する。左上方のプロットでは、テンプレートは、２０個のＴ塩基である。右上方のプロットでは、テンプレートは、２０個のＧ塩基である。左下方のプロットでは、テンプレートは、２０個のＡ塩基である。最後に、右下方のプロットでは、テンプレートは、２０個のＣ塩基である。観察される取込の概算速度は、毎秒約１０〜２０個の塩基であり、これは、速度限定要因（例えば、より低いｄＮＴＰ濃度）に起因すると想定される毎秒約１個の塩基のより低速度を除き、標準的酵素動力学と一致する。
【００６３】
ここで図１６を参照すると、２つの別個の製作される電極対であって、各対は、Ａｕドット島接点を含む電極対を図示する顕微鏡画像が提供される。顕微鏡写真の上方の例証は、これらの電極および接点がどのように見えるかを側面図で図式的に図示する。顕微鏡写真において実証されるように、これらの電極対は、ＤＮＡ配列決定のために使用可能であり、各ナノギャップにわたり橋架される１つの分子となる、タンパク質または断片化されるＤＮＡ等の生物分子を付着または固定化するために、電極端部において５〜２０ｎｍのナノギャップおよびＡｕ島を有する。橋架生物分子を伴う電極対を含むデバイスは、電気測定を介する無蛍光（無標識）ＤＮＡ配列決定検出において有用である。これらの顕微鏡写真において成功したと実証される実施例では、構造は、２段階ｅ−ビームリソグラフィイパターニングと、その後の金属堆積およびリフトオフプロセスから作製された。この場合では、Ａｕ柱状物は、電極先端上に堆積され、その後、高温状態での焼鈍によって球状ボールＡｕ島に転換された。
【００６４】
図１７は、２つの具現化された電極対構造（ａ）および（ｂ）を提示する。各実施形態の上方の例証は、電極構造の図式的な描写であり、下方の電子顕微鏡写真は、成功した実施形態を図示する。（ａ）および（ｂ）の画像は両方とも、それぞれ、スケールアップ製造のためのナノ印写リソグラフィまたはｅ−ビームリソグラフィによって生成される、異なる形状を伴うナノ電極の幾何学形状の平面図である。（ａ）実施形態では、尖頭端部を含む鋭先端電極は、電着を使用してＡｕ島を伴い堆積される。（ｂ）実施形態では、鋭先端電極は、Ａｕが優先的に堆積される電極の狭い部分に蓄積する湾曲が提供される。（ｂ）実施形態では、Ａｕ島もまた電着された。（ａ）および（ｂ）実施形態の両方において、電極の鋭端部でのＡｕ堆積の優先は、明白である。上記で議論されるように、電極の鋭端部は、電着の間、より高い電荷密度を経験し、Ａｕは、より高い電荷密度を有するそれらの部位において優先的に堆積される。電極１対のみが、実施形態（ａ）および（ｂ）において撮像されているが、超並列作業が、実行され、そこでは、Ａｕ島は、複数の電極上に電着され、電極先端またはその近傍での優先堆積のためのより高い電流密度を誘発するために、鋭いまたはテーパ状の点を利用することで電極先端において限局化される。
【００６５】
ここで図１８を参照すると、不働態化層の追加および使用が、例示される。議論されるように、Ａｕ堆積は、電極先端またはその近傍以外の電極上部位において生じ得、これらの逸脱堆積は、生物分子との所望されない結合を開始し得るであろう。したがって、種々の実施形態では、これらの意図しないＡｕ堆積は、電極の重要領域のみ、すなわち、先端が露出され、かつ生物分子との自己集合結合に関与するために利用可能であるように、不働態化層で被覆されることができる。図１８の上方では、例証が、不働態化層が電極対に対して位置する場所を図表的に図示するために提供される。電子顕微鏡写真は、電極対上にわたって首尾よく定配置される不働態化層を図示する。顕微鏡写真内に図示される不働態化層は、この場合、ｅ−ビームリソグラフィパターニングによって添加され、電極表面上の逸脱堆積として存在する他のいかなるＡｕへの所望されない生物分子付着も防止する。加えて、そのような不働態化層は、溶液への化学的露出から電極を保護し、種々の溶液を通して流れる所望されない漏れ電流を防止する。ここで例示される不働態化層は、ＳｉＯ２であるが、ポリマーレジスト（例えば、ＰＭＭＡ、ＳＵ８等）または窒化ケイ素等の半導体系材料等、リソグラフィ方法に適合性のある種々の他の絶縁材料が使用可能である。また、ｅ−ビームリソグラフィの以外にも、他のナノリソグラフィパターニングは、電極上に不働態化層を添加するために使用されることができる。
【００６６】
図１９は、製作された多重Ａｕビード電極を実証する電子顕微鏡写真を提示する。本実施例では、薄い金フィルムが、Ｔｉ電極上に堆積され、次いで、堆積されたフィルムが、焼鈍される。この顕微鏡写真において実証されるように、結果は、均一なサイズで、そして間隔を置かれ、かつ電極の中心線に沿って整列されるＡｕビードの列である。
【００６７】
図２０は、製作された多重金ビード電極の別の実施形態を実証する電子顕微鏡写真を提供する。これは、土台となるＴｉ電極上に堆積される薄いＡｕフィルムの焼鈍の結果を図示し、この焼鈍は、均一なサイズで、そして間隔を置かれ、かつ電極の中心線に沿って整列されるＡｕビードの列を生成する。
【００６８】
図２１は、感知用途における使用のための不働態化層の首尾よい追加を実証する電子顕微鏡写真を提供し、この追加は、電極先端近傍の領域のみを開けておく。このように、Ａｕビードの１対のみ（またはせいぜい数対）が、標的分子橋結合のための接点として露出されたままにされる。本実施例では、不働態化層は、ＳｉＯ２であり、先端近傍の１００ｎｍ幅領域は、開放されたままである（破線の丸い領域によって示されている）。
【００６９】
本開示の種々の実施形態では、生物分子がＡｕ島対上に付着し得る可能性を増大することが望ましくあり得る。本目的のために、Ａｕ島の表面は、さらに容易に、そしてそれ故、生物分子のＡｕ島への接着／付着を確実にし、かつゲノム配列決定のためのより確実で強固な分子電子橋を確実にするよう、可能な限り新鮮に作製されることができる。Ａｕ表面は、微量の有機または無機の汚染物質によって汚染されるようになり得る。そのような汚染物質の例は、炭素質の被覆であり、Ａｕ島を伴う電極が、長時間、空気中に放置されるか、水溶液または溶媒中と接触状態にあるとき発生する。
【００７０】
本開示によると、いくつかの新規アプローチが、Ａｕ島上に新鮮なＡｕ表面を確保するために使用されている。これらのアプローチは、限定ではないが、（１）サブストラクティブプロセス、（２）追加プロセス、（３）熱または照射表面清掃プロセス、および（４）Ａｕ表面組成物の修飾を含む。これらのアプローチは、本明細書の以降で詳細に説明される。図２２は、これら４つの異なるアプローチを図示するフローチャートを図示し、そこでは、これらの方法は、無標識配列決定分析デバイスを作製するために使用される他のステップへのタイミングシーケンスで適合する。フロー図内に図示されるように、これらの４つの方法のうちの１つまたはそれを上回るもののいずれかは、電極基質上でのＡｕ島の形成後に実施される。すなわち、Ａｕ島は、ナノ電極（例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｔｉ、またはＡｕ）の上に最初に堆積され得る。次いで、その後いくつかの逸脱汚染が発生する場合、これらのアプローチのうちの少なくとも１つは、Ａｕ島のＡｕ表面を新鮮にするために、次いで使われることができる。他の実施形態では、これらの４つのプロセスのうちの１つまたはそれを上回るもののいずれかはまた、Ａｕ島の堆積に先行して、Ａｕナノ電極の表面を新鮮にするために、Ａｕナノ電極上で使用されることができる。その後、Ａｕナノ電極上に堆積されるＡｕ島は、汚染を発展し得、４つのプロセスのうちの１つまたはそれ上回るものは、今度はＡｕ島の表面を新鮮にするために再び反復されることができる。いずれのシナリオにおいても、４つのプロセスのうちの少なくとも１つの実施によってＡｕ島が新鮮にされた後、次いで、ナノ電極アレイは、マイクロ流体環境内に封入され、水溶液等の生物分子供給を受ける。図２２のフローチャート内に図示されるように、生物分子のＡｕ島への頑強な付着は、Ａｕ島上の新鮮Ａｕ表面に起因して生じ得る。その後、デバイスは、各ナノ電極対を横切る分子橋の使用による無標識配列決定分析のために使用されることができる。
【００７１】
サブストラクティブプロセス：
【００７２】
新鮮なＡｕ表面を露出するため、Ａｕ島対は、スパッタエッチングまたはイオンエッチングを受ける。除去されるＡｕの量は、除去されるＡｕ原子が、生物分子が意図せず付着し得る面積の近傍に堆積されて終わることのないよう、最小限であるべきである。種々の実施形態では、除去されるべきＡｕの量は、平均で、多くてもＡｕの１０原子層分の等価物を含む。他の実施形態では、除去されるべきＡｕの量は、多くてもＡｕの５原子層分の等価物を含む。他の実施形態では、除去されるべきＡｕの量は、多くても平均Ａｕの２原子層分の等価物を含む。
【００７３】
追加プロセス：
【００７４】
Ａｕ原子の非常に薄い層が、既存のＡｕ島の表面上に追加されることができる。スパッタ堆積、蒸発、無電解堆積、電気メッキ、またはイオン移植は、Ａｕの新鮮量を追加するために実施され得る。新たに追加されるＡｕの量は、これら近傍領域への生物分子の所望されない結合を誘発し得る、近傍面積上へのＡｕ堆積しないように最小限であるべきである。種々の実施形態では、これらまたは他の方法によって追加されるＡｕの量は、平均で、多くてもＡｕの５原子層分の等価物である。他の実施形態では、追加されるＡｕの量は、多くてもＡｕの３原子層分または多くてもＡｕの１原子層分の等価物である。
【００７５】
熱または照射表面清掃：
【００７６】
分子橋形成のためのＡｕ島対を含むデバイス構造は、Ａｕ島を含有するデバイスを、温度約１００°〜約５００°Ｃ、さらに好ましくは約２００°〜約４００°Ｃ、合計約０．０１〜約１０，０００分の期間の間、空気、窒素、アルゴン、または任意の他の不活性雰囲気内に露出することになどよって、熱焼鈍プロセスを受けることができる。以下の所与の実施例は、新鮮にされたＡｕ島へのより強固な生物分子付着を実証する。
【００７７】
温度感受性半導性構成要素を含む電子センサデバイスに関して、約２００°Ｃより高い温度への露出は、望ましくない。そのような場合、短パルス型加熱または選択的限局化加熱のいずれかの方法が、本開示によって利用されることができる。本発明による種々の照射処理方法に関するより詳細な説明が、以下に提供される。
【００７８】
短パルス加熱（すなわち、熱放射）の種々の実施形態では、高強度でなお広域の赤外線（ＩＲ）またはレーザ光ビームが、直下の電子デバイス領域への熱伝搬が最小限になるように、パルスモード加熱（例えば、１分あたり１０パルスより頻繁）によって等、デバイス表面上に照射されることができる。
【００７９】
代替実施形態では、例えば、ビーム直径１００μｍ未満、好ましくは２μｍ未満、さらにより好ましくは０．１μｍ未満の、高度に集束されたレーザビームまたは赤外線ビームが、Ａｕ島の近傍領域を局所的に加熱するために用いられることができる。ある側面では、これは、ビーム集束導波管を使用することで達成されることができる。
【００８０】
他の側面では、Ａｕ等の金属島の選択的加熱は、反復パルスモード加熱／冷却サイクルを使用することによって等、マイクロ波加熱を使用して可能にされ得る。例えば、周波数５ＫＨｚ〜５００ＫＨｚ等の高周波（ＲＦ）照射は、このＲＦ周波数範囲が、優先的かつ選択的に導電性構成要素のみを加熱する傾向にあるために利用され得る。これは、金属ならびに非金属構成要素、有機／タンパク質材料、および水が、全て照射によって加熱されるギガヘルツ（ＧＨｚ）範囲内のマイクロ波照射とは対照的である。
【００８１】
Ａｕ島表面化学修飾
【００８２】
生物学的デバイスのＡｕ表面は、硫黄含有化学成分（例えば、Ａｕ表面に結合するチオール官能化化学物質）と組み合わせて使用されてもよいため、Ａｕ表面の活性は、硫黄原子が、意図的に添加される場合、高められることができる。添加される硫黄原子を伴うそのようなＡｕ表面修飾は、硫黄原子がイオン移植される場合、例えば、約５から約２００ＫＶの加速する電圧で、１ｃｍ２あたり約１０５〜１０１６個等の量のイオンを用いて、精密に制御された様式で達成されることができる。移植されたイオンは、金属表面内に定着され、そこで機械的に頑丈にとどまる。
【００８３】
本明細書における別の実験的観察は、Ａｕ堆積およびその後の焼鈍に先行して堆積される接着層のタイプが、Ａｕ島への生物分子付着に如何に強固に影響するかということである。例えば、接着層材料が、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、またはタンタル（Ｔａ）フィルムではなく、基質表面（例えば、ＳｉＯ２）上のクロム（Ｃｒ）フィルムであるとき、Ａｕ島の形成および結合性能は改善される。
【００８４】
Ａｕ島を高温（例えば、４００°Ｃ）で焼鈍した後、ＣｒまたはＴｉの島内Ａｕとの、いくらかの部分的な拡散合金化が発生してもよい。この場合、Ｃｒは、耐熱金属成分であるＴｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、またはＶタイプの接着層の使用と比較して、Ａｕとのより大きな固相溶解性を有し、Ａｕ島を、Ｃｒ下層とのより強い接着を伴うより半球（すなわち、より球形でない）にするために有益であり得る。
【００８５】
上記で説明される本実施形態は、本発明を例示するためのみであり、本発明の範囲を限定するためのものではない。本発明の精神による均等な修正や変形例は、本発明の範囲内に含まれるものとする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７（ａ）】
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【図１７（ｂ）】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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